以暖冬、极端气象事件、大气CO2浓度升高为主要特征的全球气候变化已经并正在改变着陆地生态系统过程,尤其是高纬度和高海拔地区的冬季生态系统过程。同时,作为生态系统物质循环与能量转换的积极参与者,土壤微生物和酶活性对环境的变化非常敏感。这意味着,全球变暖可能通过对冬季土壤微生物和酶活性的影响而深刻影响到陆地生态系统的物质循环与能量转换过程。但迄今为止,有关模拟增温对高海拔地区森林土壤微生物和酶活性影响的研究主要集中在生长季节,而有关冬季土壤微生物和酶活性对模拟增温的响应还鲜见报道。因此,以地处青藏高原东缘和长江上游地区的川西高山森林土壤为研究对象,采用自然环境梯度实验,将高山森林(海拔3580m)土柱置于海拔3298m(气温升高约2℃)和3023m(气温升高约4℃)的林地,研究模拟增温对高山森林土壤有机层(OL)和矿质土壤层(ML)可培养微生物数量以及与土壤碳、氮、磷循环相关的微生物生物量和酶活性的影响,以期为深入理解高寒森林生态系统对全球气候变化的响应提供依据。
海拔降低并没有导致土壤温度的增加,模拟气温增加2℃使土壤有机层和矿质土壤层平均温度分别下降了0.55℃和0.56℃,除土壤有机层的生长季节和融化期、矿质土壤层的生长季节月平均温度在模拟气温增加2℃时上升外,其它时期的月平均温度均下降。模拟气温增加4℃使土壤有机层和矿质土壤层的平均温度分别增加了0.84℃和0.82℃,不同土层各测定时期的土壤月平均温度均上升。
模拟增温显著降低了土壤可培养细菌和真菌的数量,改变了土壤可培养细菌/真菌比。但不同增温幅度处理和不同的时期,由于土壤经历不同程度的雪被覆盖和冻融循环,模拟增温对可培养细菌数量、真菌数量以及可培养细菌/真菌比的影响还存在明显的差异。相对于模拟增温2℃,模拟增温4℃时可培养细菌数量和真菌数量的波动幅度更明显。
模拟增温显著影响了土壤微生物生物量碳、氮和磷含量。但在不同增温幅度和不同时期并未表现出统一的规律。模拟增温2℃显著降低了初冻期和冻结期土壤有机层微生物生物量碳,降低了生长季节土壤有机层的微生物生物量氮含量,降低了生长季节和冻结期土壤有机层微生物生物量磷含量以及生长季节、初冻期和冻结期的矿质土壤层微生物生物量磷含量。模拟增温4℃对土壤有机层和矿质土壤层的微生物生物碳、氮和磷影响更显著。同时,模拟增温2℃和4℃也不同程度提高了生长季节和融化期矿质土壤层的微生物生物量碳含量、融化期土壤有机层和第一个生长季节矿质土壤层的微生物生物量氮的含量、生长季节末期土壤有机层微生物生物量磷含量。
模拟增温显著影响了土壤转化酶、脲酶、酸性磷酸酶、中性磷酸酶和碱性磷酸酶的活性。但不同种类土壤酶活性对模拟增温的响应不同,不同增温幅度下土壤酶活性的变化也有差异。模拟增温2℃明显提高了土壤有机层和矿质土壤层的转化酶活性(生长季节末期除外)。而模拟增温4℃却显著降低了土壤转化酶活性。土壤脲酶活性在模拟增温2℃和4℃时都明显上升。土壤酸性磷酸酶和中性磷酸酶的活性在模拟增温2℃和4℃时却总体呈现出下降的趋势。尽管模拟增温也显著降低了土壤有机层碱性磷酸酶的活性,但在矿质土壤层的初冻期、冻结期和融化期,碱性磷酸酶的活性反而明显上升。
综上所述,模拟气温增加明显提高了生长季节的土壤温度,而在非生长季节土壤温度却出现不同程度的下降趋势。虽然可培养微生物数量在气温增加时总体下降,但是微生物生物量在非生长季节下降明显,而在生长季节主要表现为含量增加。这意味着,未来气候变暖可能首先通过降低微生物的活性而减缓土壤生态过程的物质循环和能量流动。同时,模拟增温提高了土壤脲酶的活性,降低了磷酸酶的活性,转化酶活性在模拟增温2℃也明显上升,但在模拟增温4℃时却明显下降。这说明了一定幅度的气温增加可能加速与碳、氮循环相关的土壤生物化学过程,抑制与磷相关的土壤生物化学过程,但在较大幅度气温增加时,与碳相关的生物化学过程也可能被抑制。这些结果不仅为认识气候变暖情境下冬季土壤生态过程提供了参考,也为深刻理解高寒地区冬季土壤生态系统对全球气候变化的响应提供一定的理论依据。
